Способ определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФОНОВОГО АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Кугейко Михаил Михайлович Лысенко Сергей Александрович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения концентрации фонового атмосферного аэрозоля путем измерения коэффициента рассеяния оптического излучения, установления функциональных соотношений между концентрацией и измеряемой оптической характеристикой, отличающийся тем, что измеряют коэффициенты рассеянияоптического излучения под углами, равными 5, 20 и 165, на длине волны, равной 0,532 мкм, а значения счетнойи объемной С концентраций транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля определяют из уравнений множественной регрессии,где 10844 1 2008.06.30 1, 2, 3 соответственно счетные концентрации транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля,С 1, С 2, С 3 соответственно объемные концентрации транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля. Предлагаемое изобретение относится к области охраны окружающей среды, аналитического приборостроения. Известны способы определения концентрации аэрозольных частиц 1-4 путем регистрации проходящего через исследуемый объем или рассеянного в нем оптического излучения. В 1 о концентрации аэрозольных частиц судят по глубине модуляции рассеянного излучения, принятого на элементах приемника, соответствующих формируемым полосам света. В 2 массовую концентрацию тонкодисперсных аэрозолей определяют путем зондирования их ультрафиолетовым излучением с длиной волны 266 нм и регистрации интенсивностей сигналов люминесценции в области спектра 300-400 нм. О концентрации двух фракций угольно-водного аэрозоля судят по измеряемому коэффициенту ослабления в видимой области спектра и степени линейной поляризации излучения, рассеянного аэрозолем в направлении, составляющем угол 6020 направлением зондирующего излучения 3. В 4 масса аэрозольных частиц в газообразных средах определяется по разности интенсивностей излучения на длинах волн в диапазонах 3,84,15 и 3,353,5 мкм, проходящих через исследуемую среду и эталонный образец. Однако ни один из данных способов не позволяет определять счетные и объемные концентрации всех фракций атмосферного аэрозоля. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения концентрации аэрозоля путем измерения коэффициента рассеяния оптического излучения под углом 45 на длине волны 0,51 мкм и использования установленной экспериментально функциональной связи между ним и определяемой характеристикой 5. Данный способ позволяет определять объемную концентрацию атмосферного аэрозоля с радиусами 0,05-0,6 мкм. К недостаткам метода следует отнести невозможность использования его при наличии частиц грубодисперсной фракции (с радиусами 1 мкм) невозможность определения фракционных концентраций атмосферного аэрозоля (транзитивной -0,01 мкм, аккумулятивной -0,1 мкм, грубодисперсной -1 мкм) по отдельности может использовать только в атмосферных ситуациях, соответствующих той, для которой установлена используемая функциональная связь. Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи одновременного определения как объемных, так и счетных фракционных концентраций фонового атмосферного аэрозоля в различных атмосферных ситуациях. Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе измеряют коэффициенты рассеяния оптического излученияпод углами , равными 5, 20 и 165 на длине волны 0,532 мкм, а значения счетнойи объемной С концентраций транзитивной,аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля определяют из уравнений множественной регрессии 10844 1 2008.06.30 1, 2, 3 соответственно счетные концентрации транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракции фонового атмосферного аэрозоля,1, 2, С 3 - соответственно объемные концентрации транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракции фонового атмосферного аэрозоля. Отмеченная сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, на которых изображены соответственно фиг. 1 - совокупность различных значений коэффициентов рассеяния под углом 45 на длине волны 532 нм и соответствующих им концентраций трех фракций фиг. 2 - угловые зависимости коэффициентов корреляции междуи ,(1, 2, 3) фиг. 3 - гистограммы ошибок определения С ис использованием полученных уравнений множественной регрессии (1). Действительно, при известных микрофизических параметрах (МП) аэрозоля (функция распределения частиц на размерах , показатель преломления , концентрация) соотношения, связывающиеиаэрозоля с коэффициентом рассеяния под углом ,можно записать в следующем виде где х 2/ - параметр Ми- длина волны (,) - фактор эффективности рассеяния излучения частицей с радиусом- угол рассеяния. Отметим, что в используемой нами в дальнейшем аэрозольной модели коэффициенты/С и/ при каждой комбинации МП рассчитывались в приближении сферических частиц по известным формулам Ми. Такое упрощение обусловлено несколькими причинами. Во-первых, объем экспериментальных данных по форме и внутренней структуре аэрозольных частиц явно недостаточен для построения соответствующих моделей. Во-вторых, методики и алгоритмы расчета оптических характеристик (ОХ) несферических и неоднородных рассеивателей громоздки и имеют лишь ограниченную область применимости. Однако для сфероидов и цилиндров с умеренным параметром асферичности(от 0,5 до 2,0) индикатриса рассеяния света, усредненная по различным пространственным ориентациям, совпадает с индикатрисой шара того же объема. Отметим также, что для несферических частиц эквивалентные по площади и по объему радиусы не совпадают, однако для умеренно вытянутых (сплюснутых) сфероидов и цилиндров(0,52) эта разница не превышает 5 , что позволяет рассчитывать объемную концентрацию, не учитывая форму частиц. Что касается использования аналитической зависимости , то выбор последней малосуществен. Важны модальные радиусы частиц и крутизна спада концентрации частиц при размерах частиц больше модального. Для нахождения указанных корреляций с учетом взаимозависимых вариаций микрофизических параметров аэрозолей нами использовалась трехфракционная оптическая модель приземного слоя атмосферы Андреева-Ивлева 6. Модальные размеры частиц фракций, отличающихся по своему происхождению, составу и всему комплексу физикохимических свойств, оцениваются как 0,03, 0,3 и 1 мкм при влажности воздуха 50 для транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций соответственно(в дальнейшем для обозначения данных фракций нами используются индексы 1, 2 и 3 соответственно). Для описания распределения по размерам частиц отдельных фракций аэрозолей используется гамма-распределение с отрицательными степенями свободы. Выбор этой модели обусловлен тем, что ее входными параметрами являются метеорологическая дальность видимости(позволяет осуществить привязку используемой в расчете ОХ концентрации аэрозолей к экспериментально измеренному аэрозольному ослаблению в 10844 1 2008.06.30 видимой области спектра) и влажность(к которой привязываются вариации спектра размеров и изменение показателя преломления (, позволяющие в комплексе менять МП атмосферы. При расчетах предполагается, что вода равномерно перемешана в частице(микрокапиллярное внедрение и разбухание частицы), а зависимость размера частиц отописывается эмпирической формулой Кастена 7. Таким образом, варьируя эти два параметра (что соответствует изменениям условий в атмосфере), можно отследить наличие или отсутствие устойчивых корреляций междуи , (1, 2, 3). Значенияи , полученные нами на основе модели 6, при различных комбинацияхии рассчитанная нами по этим данным корреляционная кривая (С 0,870,98) хорошо совпадают с зависимостью, полученной в 5 . Это свидетельствует о том, что данная модель достаточно адекватно описывает взаимосвязь оптических и микрофизических характеристик аэрозоля и может быть использована для исследования в рамках поставленной задачи. На фиг. 1 в логарифмическом масштабе изображена совокупность различных значений коэффициентов рассеяния под углом 45 на длине волны 532 нм и соответствующих им концентраций трех фракций, отображающие разброс коэффициентов связи между ними. Данная зависимость получалась следующим образом задавалось случайным образом состояние среды, характеризуемое параметрамиииз диапазонов их значений 560 км, 1099 , по теории Ми рассчитывался коэффициент (45, 0,532 мкм) и по стандартным формулам математической статистики 8 проводилась линейная аппроксимация полученной совокупности точек. Расчетиосуществлялся через весовые функции фракций аэрозолей при различных значенияхи , полученных в 6 путем сопоставления модельных и экспериментально измеренных спектров коэффициента ослабления аэрозолем. Помимо заданияипо равномерному закону распределения на все МП модели также накладывался 10 -й случайный разброс (не зависящий оти ), что позволяет получить более сглаженные и устойчивые к ошибкам коэффициенты множественной регрессии и еще больше расширить диапазоны вариаций всех МП модели. Как видно из фиг. 1 б, в, значение (45, 0,532 мкм) достаточно тесно коррелирует с С 2 и С 3,что позволяет с приемлемой точностью определять данные концентрации по результатам оптических измерений. Однако большой разброс точек на фиг. 1 а, г, д, е свидетельствует о том, что (45, 0,532 мкм) практически не информативен относительно счетных концентраций всех трех аэрозольных фракций и объемной концентрации транзитивной фракции. С целью нахождения наиболее перспективных, в плане повышения информативности нефелометрических измерений, углов рассеяния оптического излучениянами были исследованы угловые зависимости коэффициентов парной корреляцииимежду где 1, 21000 - реализация состояния модельной атмосферы, с соответствующими ей коэффициентом направленного рассеянияи фракционными концентрациями или( )- математические ожидания логарифмов данных величин. Угловые зависимости данных коэффициентов представлены на фиг. 2. Как следует из фиг. 2 а для определения счетных концентраций аэрозольных фракций предпочтительней осуществлять измерения коэффициента рассеяния под углами из диапазона 160170,характеризуемыми высокими значениями соответствующих коэффициентов корреляции для всех трех фракций. Обращают также на себя внимание высокие значения 1 и 10844 1 2008.06.30 2 при малых углах 1 - для аккумулятивной и 5 - для грубодисперсной фракций аэрозоля, а также наличие максимума коэффициента корреляции для транзитивной фракции 3 в районе 20. Таким образом, принимая в качестве критерия оптимальности выбора углов рассеяния максимальную информативность коэффициентов рассеяния под данными углами относительно искомых параметров (наибольшие значения соответствующих коэффициентов корреляции) в сочетании с минимальным количеством измеряемых ОХ следует, что эффективнее проводить измеренияодновременно под малыми углами и углами 20,160170. Полученные нами с применением стандартных формул математической статистики 8 корреляционные соотношения между значениямидля угловиз отмеченных диапазонов и проведенная оценка точности восстановления счетной и объемной концентрации с их использованием показывают, что наименьшая погрешность соответствует углам 5, 20, 165. Для данных углов корреляционные соотношения между и счетными , объемными С концентрациями трех фракций имеют вид Для оценки эффективности предлагаемой методики определения С ипроведен расчет данных характеристик в 1000 модельных атмосферных ситуациях, отличающихся значениямиии при наложении на значенияслучайной ошибки в пределах 10 . Гистограммы ошибок определения С ис использованием уравнений (2) приведены на фиг. 3, гдеи- частоты повторяемости ошибок С исоответственно(число состояний, для которых получены данные ошибки). На рисунках также указаны среднеквадратичные ошибки определения отмеченных только что величин. Как видно,среднеквадратичные ошибки измерений фракционных концентраций аэрозоля по описанной методике не превышают суммарные ошибки измерения коэффициентов рассеяния под указанными углами, что удовлетворяет многим практическим потребностям. Для реализации предложенного способа необходимо измерить ОХ коэффициенты рассеяния под углами , равными 5, 20 и 165 на длине волны 0,532 мкм, а значения счетнойи объемной С концентраций транзитивной, аккумулятивной и грубодисперсной фракций фонового атмосферного аэрозоля определить из уравнений множественной регрессии (1). Для измерения коэффициентов рассеяния под указанными угламиможно использовать известные измерители коэффициентов рассеяния, индикатрисы рассеяния 9-11. Как следует из 10, 11, погрешность измерения коэффициентов рассеяния под углом , не превышающая 15 в области малых углов, - 5 (из-за использования светофильтров при измерении световых потоков, изменяющихся на несколько порядков) и 5 в остальной части индикатрисы, что в сумме укладывается в погрешности, накладываемые нами на измеряемые коэффициенты рассеяния под тремя угламипри получении регрессионных соотношений (суммарная накладываемая погрешность составляла 30 , можно же измерять коэффициенты рассеяния с суммарной погрешностью 25 ). Предлагаемый способ определения фракционных концентраций атмосферного аэрозоля может быть с успехом использован для оперативного и автоматизированного контроля состояния атмосферы в сельской местности и в районах, где мал вклад антропогенных аэрозолей, вместо традиционных методик отбора проб с последующим анализом. Слабая 10844 1 2008.06.30 чувствительность способа к погрешностям измеренийделает его использование в большинстве случаев гораздо более предпочтительным по сравнению с современными оптическими методами, требующими или проведения калибровочных измерений, или решения некорректных обратных задач, а значит, обладающих большим коэффициентом усиления ошибок. Таким образом, как следует из вышесказанного, предлагаемый способ позволяет определять концентрации одновременно всех трех фракций атмосферного аэрозоля в различных атмосферных ситуациях, к тому же не требует проведения дополнительных(калибровочных) измерений по установлению коэффициентов связи между отдельными характеристиками среды и измеряемыми коэффициентами рассеяния (используемые здесь регрессионные уравнения получены для максимально возможного разброса микрофизических характеристик фонового атмосферного аэрозоля). Источники информации,, ,14-18, 2005. 6. Андреев С.Д., Ивлев Л.С. Моделирование оптических характеристик аэрозолей приземного слоя атмосферы // Оптика атмосферы и океана. - 1995. - Т. 8. -8. - С. 1236-1243. 7. Креков Г.М., Звенигородский С.Г. Оптическая модель средней атмосферы. - Новосибирск Наука, 1990. - 278 с. 8. Колемаев В.А., Калинина В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. М. ИНФРА-М, 1997. - 302 с. 9. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред. - Мн. Наука и техника, 1969. - 592 с. 10.М.,,. //. 2001. - . 46. -65. - . 134-142. 11. Александров А.Ф., Свистов Д.А., Тимофеев И.Б. // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2000. -5. - С. 50-64. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.